Цветной металлургии

Пыли, улавливаемые из газов, образующихся при пирометаллургических

процессах на предприятиях цветной металлургии, разнообразны по

химическому и дисперсному составам [97]. По общепринятой практике подбор

рукавного фильтра в основном производится на основании следующих

параметров: скорости и объема газов, пористости и удельного гидравлического

сопротивления ткани, плотности улавливаемой пыли и запыленности [32, с.

434-437]. Однако, при этом не рассматривается химический состав

улавливаемых пылей, т.к. содержащиеся в них оксиды металлов способны

вызывать затруднения при регенерации фильтров за счет своей слипаемости,

что ведет к нарушению режима фильтрации. Пробы пылей для исследований

отбирались из бункеров рукавных фильтров в количестве 10 шт. в течение 30

дней, усреднялись и затем проводился их физический и химический анализ не

менее 5 раз каждого вида пыли, что дало возможность судить о

воспроизводимости результатов.

Для сравнения характеристик улавливаемых пылей основных переделов

при производстве свинца и цинка были использованы типовые методики

определения удельного и насыпного веса, угла естественного откоса, удельной

поверхности и среднего размера частиц [98, с. 12].

Изучение свойств данных методом центробежной сепарации [89, с. 100-

102] показало, что дисперсный состав всех улавливаемых пылей примерно

одинаков. Это объясняется малой величиной размеров возгонных, хорошо

коагулируемых пылей и их агломерацией в процессе сепарации.

С целью выявления отличий в размерах частиц улавливаемых пылей,

наряду с определением их характеристики вышеописанным методом были

также проведены исследования с применением электронного микроскопа.

Определение среднего размера первичных частиц пыли производилось на

основе снимков на растровом электронном микроскопе JSM-6390LV фирмы

Jeol.

По данным снимкам (рисунок 2.1) произведено визуальное изучение

отдельных частиц пыли: определение их числа, формы, размеров.

а

б

в

г

д

е

ж

з

а – смесь свинцовых пылей; б – конверторная пыль; в – шлаковозгоночная

пыль; г – пыль № 1 медного завода; д – пыль № 2 медного завода;

е – вельцоксиды фильтра РФГ; ж – вельцоксиды фильтра ФРИ-1200;

з – пыль от участка разгрузки цинкового огарка из печей КС.

Рисунок 2.1 – Снимки проб пылей различных переделов

УК МК ТОО «Казцинк»

Оценку пылей осуществляли замером наибольшего (rmax) и наименьшего

(rmin) размеров каждой частицы [98]. Средняя арифметическая величина

наибольшего и наименьшего размеров частиц является их технической

характеристикой при дальнейшем рассмотрении [99].

Из рисунка 2.1 следует, что уловленные рукавными фильтрами пыли из

газов основных металлургических переделов УК МК ТОО «Казцинк» имеют

медианный размер частиц в пределах 0, 08-0, 30 мкм и стандартное

среднеквадратичное отклонение 1, 65-2, 11. Данные характеристики

соответствуют пылям с малым размером и средней полидисперсностью.

Большое внимание исследователями уделено коагуляции частиц пыли

[100]. Однако, при определении склонности пыли к коагуляции не учитывалось

взаимодействие частиц при движении, имеющее место в рукавных фильтрах. В

работе предложена усовершенствованная методика, устраняющая указанный

недостаток и сняты характеристики изучаемых пылей. Исследования

проводили с применением прибора для определения тонкости помола цемента

типа СММ, имеющего 278 встряхиваний в минуту. Проба пыли массой 20 г в

течение 5 минут встряхивалась на металлическом поддоне и затем

скоагулированная пыль просеивалась через сито с размером отверстий 1 мм.

Массу конгломератов пыли, оставшийся на сите, выражали в % к общему весу

пробы.

С использованием растровой электронной микроскопии с микроанализом,

масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и рентгеновской

дифрактрометрии определены химический и рациональный состав пылей

основных переделов УК МК ТОО «Казцинк».

В таблице 2.1 приведены усредненные физические свойства пылей,

уловленных в рукавных фильтрах.

Таблица 2.1 – Физическая характеристика пылей, улавливаемых рукавными фильтрами

Пыли

Размер частиц пыли, определенный

с помощью микроскопа, мкм Метод

ЦС

Насыпная масса,

г/см3 Удельная

масса,

г/см3

Удельная

поверхность,

м2/г

Агломерируемость

пыли, %

Угол

естественног

о откоса,

градус

средний медианный

среднекв.

отклонение

диаметра

без

утряски

с

утряской

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Смесь свинцовых

пылей

0, 165 0, 144 1, 59 0, 88 0, 61 0, 70 5, 4 1, 03 15, 1 43

Конвертеров 0, 181 0, 159 1, 88 1, 03 0, 54 0, 66 5, 20 1, 150 17, 6 41

Шлаковозгоночно

й установки

0, 230 0, 176 1, 88 0, 93 0, 62 0, 76 5, 30 1, 310 34, 0 36

Пыли медного

завода

0, 211 0, 168 1, 73 0, 98 0, 57 0, 72 5, 22 1, 234 24, 5 37

Вельц-печей 0, 294 0, 277 1, 78 0, 43 0, 78 1, 17 5, 70 0, 795 27 39

Печи КС 22, 5 19, 6 1, 95 25, 9 1, 12 1, 21 3, 01 1, 512 16, 7 43

Исследования показали, что при определении дисперсности пыли

методом центробежной сепарации получаются завышенные данные среднего

размера частиц пылей по сравнению с данными, полученными с применением

электронного микроскопа.

Итак, определение дисперсности пыли с применением электронного

микроскопа обеспечивает получение данных более близких к истинному

значению и этот метод следует использовать в качестве основного.

Исходя из снимков микроскопа JSM-6390LV можно сделать вывод, что

улавливаемые в фильтрах возгоны имеют форму, близкую к шару. Только

частицы пыли из газов вельц-печей и из печей КС представляют из себя

комбинацию различных видов форм.

Определение дисперсности пылей основных металлургических переделов

ТОО «Казцинк» с применением электронного микроскопа показало, что пыли

агломерационных машин имеют средний размер 0, 12-0, 14 мкм, конвертеров –

0, 15-0, 20 мкм, шлаковозгоночной установки – 0, 20-0, 25, шахтных плавильных

печей – 0, 20-0, 40 и вельц-печей 0, 37-0, 50 мкм.

Правильное определение химического состава пылей является очень

важным аспектом процесса пылеулавливания, т.к. в их составе находятся

частицы элементарного железа, что является очень серьезной проблемой. Из

частиц железа и капель влаги образуется оксид железа. Они взаимодействуют в

очень быстром процессе окисления, за счёт присутствия чрезмерного

количества кислорода в выходящем газе [102]. Есть вероятность, что некоторые

частицы железа в пыли не подвергнутся окислению. Поведение этих частиц

железа нестабильно с точки зрения термодинамики. Благодаря их большой

площади поверхности бывает достаточно небольшого количества энергии для

начала реакции окисления этого так называемого пирофорного железа.

2Fe + 3O2 → 2Fe2O3 + 724 кДж/моль

Эта реакция окисления обеспечивает достаточное количество энергии,

чтобы расплавить, воспламенить или уничтожить фильтровальный материал, на

поверхности которого находится фильтровальная корка. При окислении одного

грамма железа выделяется 13 КДж. Этой энергии достаточно, чтобы местами

накалить пыль докрасна. Возникающая в результате локальная температура

намного выше, чем допустимая предельная температурная стойкость полимера.

Химический состав уловленных в фильтрах пылей методом масс-

спектрометрии с индуктивно связанной плазмой представлен в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Химический состав уловленных в фильтрах пылей различных переделов УК МК ТОО «Казцинк»

Улавливаемые

пыли

Наименование

фильтровального

материала

№

эксперимента

Химический состав, % Медианный

размер

частиц, мкм

Запыленность

свинец цинк медь кремний железо газов, г/м3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Смесь свинцовых

пылей

Лавсан арт.86033

1 40, 8 9, 89 0, 32 5, 19 3 0, 144 0, 013

2 41, 2 10, 3 0, 29 6, 23 2, 6 0, 159 0, 011

3 39, 8 9, 63 0, 39 5, 4 3, 1 0, 154 0, 009

4 41, 1 10 0, 25 6, 3 2, 9 0, 136 0, 01

5 36, 8 8, 68 0, 46 5, 8 3, 6 0, 141 0, 012

PPS-804

1 33, 8 8, 1 0, 23 5, 3 3, 3 0, 163 0, 008

2 34, 9 8, 3 0, 25 6, 4 2, 7 0, 169 0, 006

3 32, 5 7, 8 0, 34 5, 8 3, 1 0, 157 0, 008

4 35, 8 8, 9 0, 2 5, 9 3, 1 0, 157 0, 007

5 36, 1 8, 9 0, 2 4, 8 3, 1 0, 13 0, 009

«Фильтр 550»

1 43, 6 11 0, 19 4, 6 2, 9 0, 142 0, 005

2 42, 8 10, 5 0, 24 4, 2 2, 5 0, 136 0, 004

3 43, 5 10, 8 0, 23 5, 5 2, 8 0, 153 0, 004

4 41, 2 9, 9 0, 26 5, 1 3, 6 0, 151 0, 006

5 43, 7 11, 2 0, 15 5, 5 2, 3 0, 14 0, 006

Конвертеров

Лавсан арт.86033

1 39, 71 3, 95 0, 58 25, 77 1, 25 0, 159 0, 014

2 38, 5 3, 7 0, 54 21, 6 2, 2 0, 152 0, 015

3 39, 8 4, 2 0, 62 22, 8 1, 9 0, 163 0, 011

4 36, 7 3, 6 0, 5 23, 1 1, 12 0, 144 0, 013

5 35, 3 3, 3 0, 47 18, 9 1, 9 0, 15 0, 015

PPS-804

1 40, 1 3, 9 0, 41 23, 6 0, 8 0, 155 0, 009

2 35, 2 3, 2 0, 49 25, 1 0, 9 0, 165 0, 007

3 36, 9 3, 4 0, 46 23, 9 1, 3 0, 16 0, 006

4 38, 3 3, 7 0, 42 25, 5 0, 8 0, 174 0, 007

5 33, 2 2, 8 0, 52 24, 3 0, 8 0, 152 0, 009

«Фильтр 550»

1 40 3, 7 0, 59 23, 9 2, 3 0, 154 0, 007

2 42, 3 4, 2 0, 56 25, 6 2, 3 0, 149 0, 008

3 41, 6 4, 2 0, 54 26, 1 1, 9 0, 155 0, 006

4 43, 1 4, 4 0, 52 24, 9 1, 4 0, 153 0, 005

Продолжение таблицы 2.2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Конвертеров «Фильтр 550» 5 41, 4 3, 9 0, 54 25, 8 1, 3 0, 151 0, 009

Шлаковозгоночной

установки

Лавсан арт.86033

1 30, 3 36, 14 1, 58 3, 36 0, 36 0, 176 0, 012

2 30, 5 36, 6 1, 59 3, 4 0, 33 0, 177 0, 013

3 30, 1 35, 8 1, 54 3, 2 0, 36 0, 183 0, 012

4 31, 1 35, 6 1, 42 3, 1 0, 28 0, 17 0, 01

5 29, 3 34, 2 1, 62 3, 9 0, 31 0, 17 0, 01

PPS-804

1 30, 4 35, 1 1, 59 3, 3 0, 28 0, 22 0, 01

2 30, 2 34, 2 1, 62 3, 2 0, 41 0, 21 0, 02

3 30, 5 35, 2 1, 57 2, 8 0, 32 0, 163 0, 018

4 30, 8 35, 9 1, 54 2, 7 0, 32 0, 159 0, 015

5 29, 9 32, 3 1, 65 2, 9 0, 32 0, 162 0, 021

«Фильтр 550»

1 30, 6 35, 1 1, 73 3, 5 0, 42 0, 182 0, 008

2 30, 8 35, 2 1, 66 3, 9 0, 38 0, 179 0, 007

3 30, 4 34, 5 1, 78 3, 2 0, 39 0, 174 0, 006

4 31, 1 36, 2 1, 6 3, 1 0, 33 0, 175 0, 005

5 31, 1 36 1, 62 3, 6 0, 35 0, 177 0, 005

Пыли медного

завода

Лавсан арт.86033

1 16, 44 5, 38 21, 62 5, 51 14, 8 0, 168 0, 011

2 16, 5 5, 4 20, 2 5, 3 15, 2 0, 163 0, 012

3 16, 36 4, 9 22, 4 5, 6 13, 9 0, 172 0, 014

4 17 5, 5 19, 6 4, 8 14, 6 0, 173 0, 011

5 17, 2 5, 8 19, 3 5, 2 15, 3 0, 19 0, 011

PPS-804

1 15, 3 4, 5 19, 4 4, 2 13, 2 0, 166 0, 01

2 15, 9 5, 3 18, 4 4, 6 15, 4 0, 14 0, 016

3 14, 8 4, 1 20, 3 4, 9 14, 6 0, 16 0, 014

4 15, 5 5, 1 18, 9 4, 1 12, 3 0, 176 0, 011

5 15, 4 4, 8 19, 1 3, 8 13, 3 0, 169 0, 008

«Фильтр 550»

1 16, 9 5, 6 23, 5 5, 6 15, 2 0, 172 0, 009

2 17, 2 5, 9 22, 9 5, 8 15, 4 0, 165 0, 008

3 17, 6 6, 1 22, 4 5, 1 15, 6 0, 165 0, 007

4 17, 7 6, 3 21, 7 5, 9 14, 8 0, 174 0, 007

5 18, 1 6, 5 21, 3 6, 2 15, 4 0, 172 0, 01

Продолжение таблицы 2.2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Вельц-печей

Лавсан арт.86033

1 29, 92 29, 45 1, 78 1, 99 4, 14 0, 277 0, 011

2 30, 2 31, 2 1, 56 2, 3 5, 2 0, 279 0, 009

3 29, 5 28, 6 1, 82 2, 19 4, 13 0, 283 0, 012

4 28, 7 28, 5 1, 86 1, 82 3, 98 0, 27 0, 013

5 26, 3 25, 9 1, 88 1, 74 4, 3 0, 273 0, 012

PPS-804

1 30, 5 29, 8 1, 43 1, 48 4, 5 0, 275 0, 008

2 29, 6 29, 4 1, 52 1, 56 4, 5 0, 28 0, 007

3 25, 3 24, 2 1, 73 1, 79 4, 4 0, 29 0, 006

4 26, 4 28, 5 1, 62 2, 05 3, 9 0, 271 0, 007

5 29, 7 29, 6 1, 48 1, 77 3, 6 0, 277 0, 006

«Фильтр 550»

1 31, 2 29, 8 1, 58 1, 82 5, 5 0, 272 0, 006

2 31, 3 30, 3 1, 55 2, 4 5, 2 0, 264 0, 005

3 30, 7 29, 3 1, 74 2, 15 4, 9 0, 276 0, 007

4 30, 4 28, 7 1, 88 2, 19 5, 1 0, 271 0, 005

5 31, 3 30, 5 1, 52 2, 13 5 0, 278 0, 006

Печи КС

Лавсан арт.86033

1 1, 62 4, 35 10, 72 2, 6 10, 88 19, 6 0, 03

2 1, 5 4 10, 9 2, 1 11, 6 18, 9 0, 028

3 1, 69 4, 8 9, 8 2, 4 10, 9 19, 1 0, 021

4 1, 56 4, 11 10, 88 2, 5 9, 8 19, 3 0, 026

5 1, 48 3, 8 11, 4 2, 2 11, 1 20, 1 0, 024

PPS-804

1 1, 4 3, 8 9, 5 1, 5 9, 7 21, 4 0, 015

2 1, 4 3, 6 9, 4 1, 5 10, 2 23, 8 0, 016

3 1, 63 4, 2 8, 7 1, 9 10, 8 21, 9 0, 014

4 1, 42 3, 9 9, 2 1, 4 9, 7 19, 6 0, 013

5 1, 35 3, 4 9, 8 1, 7 9, 9 19, 1 0, 013

«Фильтр 550»

1 1, 8 4, 7 11, 5 2, 2 11 20, 4 0, 021

2 1, 9 4, 9 11, 1 2, 5 12, 2 18, 9 0, 019

3 1, 8 4, 8 11, 3 2, 5 11, 7 21, 1 0, 022

4 1, 62 4, 4 11, 7 2, 7 10, 9 20, 4 0, 018

5 2, 1 5, 2 10, 6 2, 5 11, 6 19, 4 0, 015

По химическому составу пыли очень различны, например содержание

свинца в свинцовых пылях в 25 раз больше чем в пылях из печи КС, но в

последних содержание железа уже выше в 3, 6 раз.

Пыли агломерационных машин в среднем имеют содержание свинца

около 67 %, цинка 4 %, двуокиси кремния на уровне содержания ее в пылях

шахтных плавильных печей, а кадмия в 4 раза ниже.

Пыли нового медного завода УК МК ТОО «Казцинк» содержат 5, 4 %

цинка, 14, 8 % железа, 0, 08 % серебра и 16, 4 % свинца.

Конвертерные пыли отличаются от остальных более высоким

содержанием свинца с минимальным размером частиц.

Для выявления наличия взаимосвязи между химическим составом пылей,

медианным размером частиц и выходной запыленностью технологических

газов выполнен корреляционный анализ для нескольких наиболее

распространенных видов фильтровальных материалов: лавсан арт.86033, PPS-

804, «Фильтр 550» на основании эмпирических данных, представленных в

таблице 2.2.

Коэффициенты корреляции, определяемые с помощью одноименного

анализа, всегда принимают значения от -1 до +1 включительно.

Нулевое значение коэффициента означает отсутствие взаимосвязи между

исследуемыми параметрами. Чем ближе значение коэффициента к единице, тем

выше связь. Положительное значение коэффициента означает положительную

корреляцию, т.е. при увеличении одного параметра второй параметр также

будет увеличиваться. Отрицательное значение коэффициента означает

отрицательную корреляцию, которая выражается в увеличении размера одного

параметра при уменьшении размера другого.

Для фильтровальных материалов лавсан арт.86033 и «Фильтр 550»

выполненный корреляционный анализ показал наличие высокой

положительной корреляции между медианным размером частиц и выходной

запыленностью газов (коэффициент корреляции в обоих случаях равен 0, 94).

Для материала PPS-804 коэффициент корреляции значительно ниже и равен

0, 36.

Для материала лавсан арт.86033 взаимосвязь между медианным размером

частиц и выходной запыленностью можно выразить с помощью следующей

функции линейной регрессии:

_ _ 0, 0000117_ 0, 7257909_

где y – выходная запыленность газов, кг/м3,

x – медианный размер частиц, м.

Адекватность полученной модели для фильтровального материала лавсан

арт.86033 оценивается с помощью коэффициента множественной корреляции

[102] R=0, 94 и коэффициента детерминации R2=0, 88, который показывает, что

88 % вариации выходной запыленности учтено в модели и обусловлено

влиянием медианного размера частиц. Стандартная ошибка при этом равна

0, 000002.

Для материала «Фильтр 550» взаимосвязь между медианным размером

частиц и выходной запыленностью можно выразить с помощью следующей

функции линейной регрессии:

_ _ 0, 0000063_ 0, 6349178_

где y – выходная запыленность газов, кг/м3,

x – медианный размер частиц, м.

Адекватность полученной модели для фильтровального материала

«Фильтр 550» оценивается с помощью коэффициента множественной

корреляции R=0, 94 и коэффициента детерминации R2=0, 89, который

показывает, что 89 % вариации выходной запыленности учтено в модели и

обусловлено влиянием медианного размера частиц. Стандартная ошибка при

этом равна 0, 0000015.

По результатам выполненного в работе корреляционного анализа

наблюдается отрицательная корреляция между содержанием свинца в

улавливаемых пылях и выходной запыленностью газов (коэффициент

корреляции для материала лавсан арт.86033 равен – 0, 76; для PPS-804 – -0, 43;

для «Фильтр 550» – -0, 84). Отрицательная корреляция означает, что малые

значения одного параметра связаны с большими значениями другого. То есть,

при возрастании содержания свинца в улавливаемых пылях выходная

запыленность будет уменьшаться.

Также при выполнении анализа обнаружена высокая зависимость

(коэффициент корреляции для материала лавсан арт.86033 равен 0, 95; для PPS-

804 и «Фильтр 550» – 0, 94) между наличием в улавливаемых пылях содержания

меди и железа (рисунки 2.2 – 2.4).

Рисунок 2.2 – Материал: лавсан арт.86033. Зависимость содержания железа и

меди в улавливаемых пылях

Рисунок 2.3 – Материал: PPS-804. Зависимость содержания железа и меди в

улавливаемых пылях

Рисунок 2.4 – Материал: «Фильтр 550». Зависимость содержания железа и меди

в улавливаемых пылях

Выявленные математические уравнения позволяют сделать вывод, что на

эффективность пылеулавливания наибольшее влияние оказывает дисперсный и

химический состав пылей, особенно содержание в них свинца за счет его

значительной молекулярной массы и низкой дисперсности частиц.